Zdjęcia IBM Research / Flickr
Naukowcy znaleźli warunki, w których komputery kwantowe będą mogli wyprzedzić klasyczne
Jeśli chodzi o komputerach kwantowych, zwykło się mówić, że prędzej czy później zastąpią tradycyjne — czyli wszystko to, co начиняет nasze smartfony, gamingowe, tablety, samochody i komputery NASA. Dlaczego? Bo komputery kwantowe są w stanie pracować znacznie szybciej. Ale skąd wiadomo, że będą one działać szybciej? O dziwo, na to pytanie badacze nie było jednoznacznej odpowiedzi.
Obliczeniowe komórki istniejących komputerów kwantowych — pozdrawiamy. Aby dokonywać obliczeń, powinny one znajdować się w stanie spójności, czyli zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, przyjmować jednocześnie kilka stanów. Liczba stanów rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem liczby kolekcjonerzy. To pozwala mieć nadzieję, że komputery kwantowe będą pracować na porządki szybciej tradycyjnych komputerów, jeśli uda się dopchać w nich wystarczającej liczby kolekcjonerzy. Ale w obecnych prototypów kwantowego komputera liczba kolekcjonerzy zwykle ogranicza się do kilkudziesięciu, a w takich warunkach “kwantową premię do szybkości obliczeń wykryć nie jest takie proste.
Jako przykład wydajności komputera kwantowego często prowadzą “łódź Шора”. Nowoczesne systemy komputerowego szyfrowania oparte na rozkładzie bardzo dużej liczby na czynniki. Rzecz w tym, że klasyczny komputer łatwo mnoży ogromne liczby, ale operacja odwrotna — faktoryzacja — dla niego bardzo trudne. Dla 250-czterocyfrowych liczb będzie to wymagało 800 000 lat obliczeń, co gwarantuje bezpieczeństwo istniejących szyfrów. Jednak w 1994 roku Peter Shore zaproponował algorytm, za pomocą którego komputer kwantowy może rozkładu liczby na czynniki tak samo szybko, jak i перемножать.
Ale czy to znaczy, że komputer kwantowy zasadniczo szybciej? Oczywiście, że nie. Jeden przykład — jeszcze nie dowód, a do tego nie ma sensu porównywać jeden dobry (kwantowy) łódź z innym złym (klasycznym). Nie można wykluczyć, że pewnego dnia jakiś genialny matematyk zaproponuje klasyczny algorytm, który poradzi sobie z rozkładem na czynniki tak samo łatwo, jak i łódź Шора.
Grupa naukowców z IBM i europejskich uniwersytetów postawiono zadanie: udowodnić, że w pewnych warunkach kwantowy komputer zawsze będzie szybciej klasycznego w zasadniczych powodów. Ten problem został rozwiązany Siergiejem Dzielni z IBM Research, Davidem Госсетом z Instytutu kwantowych obliczeń Uniwersytetu Waterloo i Robert Кенигом z Instytutu badań zaawansowanych w Monachium. Oni opublikowali w czasopiśmie ” Science pracę pod tytułem “Quantum przewagę w płytkich łańcuchach”, udowadniając, że komputer kwantowy może wyprzedzić klasyczny w określonych warunkach.
Wydajność komputera kwantowego może dowolnie przekraczać wydajność klasycznego podczas wykonywania tego samego zadania.
Co oznacza autorzy pod “неглубокими łańcuchami”? Rzecz w tym, że stan spójności кубита łatwo jest uszkodzony z przyczyn zewnętrznych, np. ciepło otaczającego świata. W nowoczesnych komputerach kwantowych pozdrawiamy schłodzone do сверхнизких temperatury, ale nadal są w stanie utrzymać spójność tylko na krótki czas.
Czasem spójności ograniczona liczba wykonywanych operacji — to się nazywa “o głębokości computing”. Za pomocą komputera kwantowego dziś można rozwiązywać zadania tylko z płytkiej głębi, dlatego takie zadania i stanowią największe zainteresowanie teoretyków kwantowych obliczeń. To właśnie w tej dziedzinie ciekawe poszukać “kwantowy przewagę”, czym zajęli się autorzy artykułu. I znaleźli go.
Naukowcy udowodnili, że dla niektórych typów zadań głębokość obliczeń na komputerze kwantowym pozostaje stała, nawet gdy ilość początkowych danych — liczba “wejść” kolekcjonerzy — nieskończenie się zwiększa. Na klasycznym komputerze w takich warunkach głębokość nieuchronnie wzrośnie. A to oznacza, że od pewnej ilości danych źródłowych kwantowy komputer notorycznie rozwiąże zadanie szybciej, tym samym realizując kwantowej wyższość. Dowiedz się więcej o tej pracy matematycznej można przeczytać na stronie IBM. W ten sposób, w końcu udowodnione całkowita matematyczne twierdzenie: w pewnych warunkach wydajność komputera kwantowego może dowolnie przekraczać wydajność klasycznego podczas wykonywania tego samego zadania.
Na razie inwestować w badania kwantowych obliczeń bez gwarancji rezultatu mogą pozwolić sobie tylko takie duże firmy jak Google, IBM i inne. Tak, w maju 2016 roku IBM łączył prototyp 5-кубитного komputera do Globalnej sieci. Ponadto, powstała platforma IBM Q Experience, na której jest już ponad 100 000 osób próbowali się w tworzeniu algorytmów kwantowych obliczeń za pomocą otwartego kodu Qiskit.
Kwantowy komputer IBM — nie jest najmocniejszą kwantowa system obliczeniowy: w Harvardzie naukowa grupa rosyjskiego uczonego Michaiła Лукина już stworzyła 51-кубитную system. Harvard “komputer” i podobne projekty nie są komputerów kwantowych w ścisłym tego słowa znaczeniu — to tylko kwantowe symulatory, które mogą wykonywać tylko jeden określony typ obliczeń. Jednak zdobyte doświadczenie inżynierskie dziś pozwala utrzymać pozdrawiamy w stan już dość długo, i zdaniem ekspertów przełomu w obliczeniach kwantowych można się spodziewać w najbliższym dziesięcioleciu.
Uwaga: tekst artykułu został zmieniony 20.10.2018 r. W pierwotnym tekście treści pracy naukowej stwierdzono nie całkiem poprawnie.
redakcja poleca
Dwoje w błękitnym oceanie. Jak kwantowy komputer i sztuczna inteligencja pomagają sobie nawzajem